多路PT100-III型信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

2004年10月A版

摘要： 本文給出多路PT100-III型信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 三線制；PT100；MODBUS

引言
PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以本模塊需要進(jìn)行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。本模塊采用了軟件查表插值的方法進(jìn)行校正，最后轉(zhuǎn)換成III型信號(hào)。III型信號(hào)是當(dāng)被測(cè)信號(hào)從下量程到上量程(0%~100%)變化時(shí)，輸出線上對(duì)應(yīng)4－20mA電流的變化。此外模塊還具有MODBUS協(xié)議的通訊端口，可以直接和任何MODBUS口連接。

圖1  采樣電路

圖2  主機(jī)電路

圖3  D/A電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)模塊基于AVR新型的Atmega16單片機(jī)，采用三線制形式，這樣可以去除導(dǎo)線電阻帶來(lái)的零點(diǎn)不準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)差分放大電路直接得到0~5V的信號(hào)電壓，這樣就可以直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。
數(shù)據(jù)處理部分，將PT100分度表中的每隔10℃的電阻值寫入到閃存中，這樣，將得到電壓值回算到電阻值，這樣進(jìn)行查表，當(dāng)電阻位于某一段之間時(shí)，再進(jìn)行線性處理，這樣系統(tǒng)的線性化程度比較高可以達(dá)到0.2%。
D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用373芯片作為鎖存器，采用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，這樣可以節(jié)省成本，而且精度也可以得到保證。
最后再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓電流轉(zhuǎn)換部分，把信號(hào)以III型信號(hào)傳送出去，完成模塊的功能。

圖4  V/I轉(zhuǎn)換電路

圖5  485通訊電路
采樣電路
采樣電路如圖1所示，PT100以三線制接到J0，這樣連接PT100的兩側(cè)的導(dǎo)線長(zhǎng)度相等，而且分別加在兩側(cè)的橋臂上，這樣導(dǎo)線電阻得以消除，當(dāng)PT100輸出100Ω時(shí)可以調(diào)節(jié)R1的阻值，以調(diào)整溫度下限，當(dāng)溫度范圍是0~300℃時(shí)，電橋電壓經(jīng)過(guò)放大后，Anolog0的電壓正好是0~5V，這樣可以完整使用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。
主機(jī)電路
主機(jī)電路如圖2。CPU采用Atmega16 ，它自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快，精度高，而且不需要外擴(kuò)任何器件。74LS138用來(lái)譯碼，分別選通各路的鎖存器。采用8MHz的晶振，速度完全可以滿足系統(tǒng)的要求。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓直接是VCC，這可節(jié)省硬件，簡(jiǎn)化電路，在對(duì)精度要求較高的情況下可以選擇精密穩(wěn)壓器件，如TL431。
D/A轉(zhuǎn)換電路
為了節(jié)省成本，本系統(tǒng)沒(méi)有采用專用D/A轉(zhuǎn)換芯片，而是運(yùn)用D/A轉(zhuǎn)換的原理，利用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換器，這樣精度可以保證，而且速度比較快，CPU控制也是比較簡(jiǎn)單的。電路如圖3所示。
74lS373鎖存器，鎖存CPU每次更新的數(shù)據(jù)，OE引腳接138芯片的片選信號(hào)，LE 下降沿時(shí)數(shù)據(jù)鎖存。
V/I轉(zhuǎn)換電路
V/I轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，它將A/D轉(zhuǎn)換后得到的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成4-20mA  III型信號(hào)輸出。I=V/R3。
RS-485通訊電路
通訊芯片選用MAX485芯片，將收允許和發(fā)允許接在一起(見(jiàn)圖5)，用一個(gè)口線進(jìn)行控制，正常情況下，收允許，在需要發(fā)送的時(shí)候，設(shè)為發(fā)允許。

圖6  軟件流程

軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是與眾不同的地方。一般的鉑電阻轉(zhuǎn)III型信號(hào)的模塊都是采用模擬電路，沒(méi)有軟件部分。本系統(tǒng)采用數(shù)字化線性校正將大大提高模塊的精度。軟件流程見(jiàn)圖6。軟件分主程序，中斷服務(wù)子程序，所有程序均由C語(yǔ)言編寫。程序在ICCAVR6.30調(diào)試。

結(jié)語(yǔ)
基于單片機(jī)的PT100－III型信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊具有精度高、可數(shù)字通訊、可升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。本模塊已經(jīng)用于多個(gè)火力發(fā)電廠煙氣溫度檢測(cè)，其中采用III型信號(hào)和數(shù)字通訊的都有，均取得了良好的效果。